Hoe lang de batterij van uw telefoon of computer meegaat, hangt af van hoeveel lithiumionen kunnen worden opgeslagen in het negatieve elektrodemateriaal van de batterij. Als de batterij door deze ionen heen raakt, het kan geen elektrische stroom genereren om een ​​apparaat te laten werken en faalt uiteindelijk.

Materialen met een hogere opslagcapaciteit voor lithiumionen zijn ofwel te zwaar of hebben de verkeerde vorm om grafiet te vervangen, het elektrodemateriaal dat momenteel in de batterijen van vandaag wordt gebruikt.

Wetenschappers en ingenieurs van Purdue University hebben een mogelijke manier geïntroduceerd waarop deze materialen kunnen worden geherstructureerd tot een nieuw elektrodeontwerp waarmee ze de levensduur van een batterij kunnen verlengen, stabieler maken en de oplaadtijd verkorten.

De studie, verschijnen als de cover van het septembernummer van Toegepaste nanomaterialen , creëerde een netachtige structuur, een "nanoketen" genoemd, "van antimoon, een metalloïde waarvan bekend is dat het de oplaadcapaciteit van lithiumionen in batterijen verbetert.

De onderzoekers vergeleken de nanochain-elektroden met grafietelektroden, ontdekken dat wanneer knoopcelbatterijen met de nanoketen-elektrode slechts 30 minuten werden opgeladen, ze bereikten het dubbele van de lithium-ioncapaciteit voor 100 laad-ontlaadcycli.

Sommige soorten commerciële batterijen maken al gebruik van koolstof-metaalcomposieten die lijken op antimoonmetaal-negatieve elektroden, maar het materiaal heeft de neiging tot drie keer uit te zetten als het lithiumionen opneemt, waardoor het een veiligheidsrisico wordt als de batterij wordt opgeladen.

"Dat soort uitbreidingen wil je in de accu's van je smartphone accommoderen. Op die manier draag je niet iets onveiligs mee, " zei Vilas Pol, een Purdue universitair hoofddocent chemische technologie.

Door het toepassen van chemische verbindingen - een reductiemiddel en een kiemvormend middel - verbonden Purdue-wetenschappers de kleine antimoondeeltjes tot een nanoketenvorm die de vereiste expansie zou opvangen. Het specifieke reductiemiddel dat het team gebruikte, ammoniak-boraan, is verantwoordelijk voor het creëren van de lege ruimtes - de poriën in de nanoketen - die expansie mogelijk maken en elektrodestoringen onderdrukken.

Het team paste ammoniak-boraan toe op verschillende verbindingen van antimoon, vinden dat alleen antimoonchloride de nanoketenstructuur produceerde.

"Onze procedure om de nanodeeltjes consequent te maken, zorgt voor de ketenstructuren, " zei P.V. Ramachandran, een professor in de organische chemie aan Purdue.

De nanoketen houdt ook de lithium-ioncapaciteit stabiel gedurende ten minste 100 laad-ontlaadcycli. "Er is in wezen geen verandering van cyclus 1 naar cyclus 100, dus we hebben geen reden om te denken dat cyclus 102 niet hetzelfde zal zijn, ' zei Pol.

Hendrik Hamann, een afgestudeerde scheikundestudent aan Purdue, synthetiseerde de antimoon nanoketenstructuur en Jassiel Rodriguez, een Purdue postdoctorale kandidaat voor chemische technologie, testte de elektrochemische batterijprestaties.

Het ontwerp van de elektrode heeft de potentie om schaalbaar te zijn voor grotere batterijen, zeggen de onderzoekers. Het team is van plan om het ontwerp vervolgens te testen in zakcelbatterijen.